生物炭与植物促生菌协同作用：减氮施肥下甜椒生长与土壤健康的可持续策略

《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Toward Sustainable Fertilization: Biochar and Plant Growth Promoting Bacteria (PGPB) Influence on Sweet Pepper (Capsicuum annuum L.) Development and Production Under Reduced Nitrogen Input

本综述系统探讨了生物炭（biochar）与植物促生菌（PGPB）在减氮施肥条件下对甜椒（Capsicum annuum L.）生长发育、产量品质及土壤微生态的协同调控机制。研究表明，50%减氮配施生物炭与PGPB可维持作物产量与全氮处理相当，同时显著提升土壤有机碳（+94%）、氮含量（+25%）及根长（+27%），并调控Pseudomonadaceae等特定菌群丰度。该策略为集约化蔬菜生产的化肥减施与土壤健康提升提供了理论依据。

　　

引言

农业面临的核心挑战是在全球人口预计2050年达到97亿的背景下，通过可持续集约化生产保障粮食安全。过度依赖化肥的集约化农业易导致土壤退化、有机质耗竭及养分失衡，违背联合国可持续发展目标（SDGs）。利用有益土壤微生物（如植物促生菌PGPB）和有机改良剂（如生物炭）提升土壤质量，已成为可持续农业的重要方向。PGPB通过直接机制（生物固氮、溶磷解钾、植物激素分泌）和间接机制（病原菌抑制、系统抗性诱导）促进植物生长。生物炭作为热解生物质产生的富碳材料，具有稳定化学结构、高孔隙率及负电荷表面特性，能够增强土壤持水性、养分保持力并为微生物提供栖息地。甜椒作为全球第三大蔬菜作物，其集约化生产对氮肥需求高，探索生物炭与PGPB协同减氮的潜力对可持续园艺具有重要意义。

材料与方法

试验在温室中进行，采用完全随机设计，设生物炭（0%或2% w/w）、PGPB（接种Bacillus spp.菌株36M或不接种）、氮肥（0、50或100 kg N ha^?1）三因素六重复处理。于营养生长期（T0–T1）和生殖生长期（T1–T2）测定株高、叶数绝对生长率（AGR_H、AGR_LN）；采集植株地上/地下部生物量，分析碳氮含量；利用WinRhizo扫描根系构型；通过平板计数与宏基因组测序（NovaSeq X Plus平台）评估土壤微生物群落动态。

结果

植物生长发育动态：

减氮（N50）配施生物炭与PGPB（B2-P+）处理下，甜椒株高与叶数在T2期达到全氮（N100）水平，较不施肥（N0）分别增加50%和115%。生物炭使T2期AGR_H提升12%，PGPB接种使AGR_H较T1期增长45%。生物炭还显著促进AGR_LN，T2期较T1提高60%。

生物量与养分分配：

生物炭与PGPB分别提升茎部氮含量66%与34%，叶片氮含量16%与11%。生物炭处理使根长增加27%，根冠比提高10%；PGPB接种使根生物量激增170%。全氮施肥促进根系表面积、体积及平均直径，但生物炭与减氮组合（B2-N50）优化了根系伸长与空间分布。

果实品质与微生物安全性：

N50处理果实产量、单果重、碳氮含量与N100无显著差异，且PGPB提升果实碳含量2%。贮藏7天后果实未出现腐败微生物增殖，肠杆菌科始终低于检测限。

土壤化学与微生物特性：

生物炭使土壤碳、氮含量较对照提升94%与25%，PGPB接种进一步增加碳含量12%。减氮（N50）在T2期促进土壤微生物生长，而高氮（N100）抑制Pseudomonadaceae等菌群。宏基因组分析显示，生物炭添加使412个细菌家族丰度增加，显著高于未添加组（273个），其中Pseudomonadaceae、Gemmatimonadaceae等有益菌群持续富集，而Rhizobiaceae、Oxalobacteraceae等根际菌群丰度下降。

讨论

生物炭与PGPB通过互补机制提升氮肥利用效率：生物炭改善土壤物理结构并延长养分缓释期，PGPB直接激活根系代谢与激素信号通路。二者协同作用下，减氮50%仍能维持光合碳同化与氮素转运的平衡，保障果实碳水化合物积累。土壤微生物群落重构进一步印证了该策略的生态效益——生物炭创造微环境促进功能菌群定殖，减氮施肥减轻了高氮对微生物多样性的抑制压力。

结论

生物炭与PGPB联合应用可实现在减施50%氮肥条件下维持甜椒产量与品质，同时提升土壤有机碳固存能力并调控微生物群落结构。该技术路径为集约化蔬菜生产的化肥减量替代与土壤健康管理提供了可行方案，符合气候变化适应性农业与绿色循环农业发展需求。